Nghiên cứu các giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh tại việt nam

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐÀI
TRÁI ĐẤT THƠNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI- NĂM 2021



HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐÀI
TRÁI ĐẤT THƠNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH TẠI VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ NHẬT THĂNG

HÀ NỘI- NĂM 2021

1

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Anh


2

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn các thầy, cơ giáo, cán bộ của Học viện Cơng nghệ
Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho em trong quá trình học tập
và nghiên cứu chương trình Thạc sĩ trường.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Nhật Thăng đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ em để hoàn thành tốt nhất Luận văn “Nghiên cứu các giải pháp định vị
và xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh tại Việt Nam “.
Do vốn kiến thức lý luận và kinh nghiệm thực tiễn hạn chế nên luận văn
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em xin trân trọng tiếp thu các ý kiến
của các thầy, cô để luận văn được hoàn thiện tốt hơn.
Trân trọng cám ơn.
Tác giả luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Anh

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC...............................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH................................................................................................vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................x
LỜI NĨI ĐẦU..........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỊNH VỊ
ĐÀI PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN.................................................................................3
1.1. Kỹ thuật định hướng AOA..............................................................................3
1.2. Kỹ thuật định hướng giao thoa pha.................................................................4
1.3. Kỹ thuật định hướng giao thoa tương quan.....................................................6
1.4. Kỹ thuật định hướng Doppler và Pesudo Doppler...........................................7
1.5. Kỹ thuật định vị POA......................................................................................8
1.6. Kỹ thuật định vị TDOA...................................................................................9
1.7. Kỹ thuật định vị FDOA.................................................................................11
1.8. Kỹ thuật định vị FDOA và TDOA kết hợp....................................................12
1.9. Kết luận chương 1.........................................................................................16
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC BÀI THU ĐO, PHÂN TÍCH, NHẬN DẠNG
TÍN HIỆU ĐÀI TRÁI ĐẤT THÔNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH..........................17
2.1. Thu đo tín hiệu của đài trái đất thơng tin qua vệ tinh địa tĩnh.......................17
2.1.1 Đo tần số trung tâm..................................................................................17
2.1.2. Đo băng thông.........................................................................................19
2.1.3. Đo mật độ phổ công suất (PFD) và công suất bức xạ đẳng hướng..........20
tương đương (EIRP).........................................................................................20

2.2. Phân tích, phân loại và nhận dạng tín hiệu của đài trái đất thông tin qua vệ
tinh địa tĩnh..........................................................................................................22
2.2.1. Dịch vụ truyền hình số vệ tinh DVB-S...................................................24


4

2.2.2. Truyền hình số vệ tinh DVB-S2..............................................................25
2.2.3. Truyền dữ liệu vệ tinh.............................................................................27
2.2.4. Dịch vụ di động qua vệ tinh....................................................................29
2.3. Kết luận chương 2.........................................................................................30
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐÀI TRÁI ĐẤT
THƠNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH TẠI VIỆT NAM...........................................31
3.1. Tham khảo một số giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thông qua
vệ tinh địa tĩnh trên thế giới và của ITU...............................................................31
3.1.1. Giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh
trên thế của ITU................................................................................................31
3.1.1.1. Định vị đài trái đất sử dụng 2 vệ tinh địa tĩnh...................................31
3.1.1.2. Định vị đài trái đất sử dụng 3 vệ tinh địa tĩnh...................................32
3.1.1.3. Định vị đài trái đất sử dụng 1 vệ tinh địa tĩnh...................................33
3.1.1.4. Điều kiện thực hiện định vị...............................................................35
3.1.1.5. Phương thức xác định đài trái đất dựa trên so sánh mức tín hiệu thu
được............................................................................................................... 36
3.1.1.6. Phương thức xác định đài trái đất sử dụng thuật toán tương quan
chéo để cải thiện độ nhạy của hệ thống.........................................................37
3.1.1.7. Phương thức xác định đài trái đất sử dụng thiết bị bay UAV............38
3.1.2. Giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh
trên thế giới.......................................................................................................40
3.1.2.1. Đức...................................................................................................40
3.1.2.2. Hàn Quốc..........................................................................................41

3.1.2.3. Trung Quốc.......................................................................................42
3.2. Hiện trạng các mạng đài trái đất và can nhiễu thông tin vệ tinh tại Việt Nam
............................................................................................................................. 43
3.2.1. Hiện trạng mạng đài trái đất....................................................................43
3.2.2. Can nhiễu thông tin vô tuyến điện qua vệ tinh........................................44
3.3. Giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh tại
Việt Nam..............................................................................................................45
3.3.1. Giải pháp định vị.....................................................................................45
3.3.1.1. Xây dựng CSDL các vệ tinh lân cận đáp ứng điều kiện định vị và...46
các trạm phát tham chiếu mặt đất..................................................................48


5

3.3.1.2. Cập nhật dữ liệu thiên văn vệ tinh....................................................48
3.3.1.3. Lựa chọn vệ tinh lân cận và kiểm tra phổ chồng lấn.........................50
3.3.1.4. Lựa chọn các trạm tham chiếu..........................................................51
3.3.1.5. Định vị đài trái đất............................................................................51
3.3.1.6. Một số kết quả định vị......................................................................52
3.3.2. Giải pháp xác định vị trí đài trái đất........................................................53
3.3.2.1. Sơ đồ xác định..................................................................................53
3.3.2.2. Giải pháp xác định đài trái đất qua giải mã CID và thơng tin vị trí...54
3.3.2.3. Đề xuất phương pháp tìm kiếm vị trí đài mặt đất..............................56
các đài phát trong khu vực kết quả định vị vệ tinh:.......................................56
3.3.2.4. Một số kết quả kiểm sốt và tính tốn mức tín hiệu thu được đường
lên của đài trái đất khi sử dụng các phương tiện kiểm soát mặt đất...............59
3.3.2.5. Một số kết quả kiểm soát xác định đài trái đất..................................62
3.4. Kết luận chương 3.........................................................................................65
KẾT LUẬN.............................................................................................................66
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................68

6

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm kỹ thuật giao thoa pha...............................................................5
Bảng 2.1. Bảng so sánh DVB-S với DVB-S2 đối với truyền hình quảng bá...........25
Bảng 3.1. Sự tách biệt góc vệ tinh chính đến liền kề so với dải tần số đường lên và
kích thước ăng ten trạm phát mặt đất.......................................................................36
Bảng 3.2. Mạng đài theo băng tần C, Ku.................................................................44
Bảng 3.3. Một số trường hợp can nhiễu điển hình trên vệ tinh VINASAT..............45
Bảng 3.4. Vệ tinh băng Ka có vùng phủ Việt Nam..................................................46
Bảng 3.5. vệ tinh lân cận vệ tinh Vinasat đáp ứng điều kiện định vị.......................48
Bảng 3.6. Kết quả định vị đài trái đất......................................................................52
Bảng 3.7. Tính độ rộng, độ lợi búp sóng chính của anten kiểm sốt.......................60
Bảng 3.8. Thơng số trạm VSAT và anten kiểm sốt băng C....................................60
Bảng 3.9. Tính mức tín hiệu thu được tại phân tích phổ băng C..............................61
Bảng 3.10. Thơng số trạm VSAT và anten kiểm sốt băng Ku................................61
Bảng 3.11. Tính mức tín hiệu thu được tại phân tích phổ băng Ku..........................61
Bảng 3.12. Mức tín hiệu kiểm sốt được băng Ku...................................................65


7

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Định hướng sử dụng ăng ten quay.............................................................4
Hình 1.2. Nguyên lý giao thoa pha............................................................................5
Hình 1.3. Định hướng giao thoa tương quan.............................................................6
Hình 1.4. Phương pháp định hướng Doppler trực tiếp...............................................7
Hình 1.5. Phương pháp định hướng giả Doppler.......................................................8

Hình 1.6. Nguyên lý kỹ thuật định vị POA................................................................9
Hình 1.7. Chênh lệch thời gian dựa trên chênh lệch khoảng cách ΔD.....................10
Hình 1.8. Nguồn tín hiệu nằm trong vùng giao điểm của 2 hoặc nhiều đường
Hyperbol.................................................................................................................. 11
Hình 1.9. Phương pháp đo sai khác về tần số tới của đài phát chuyển động............12
Hình 1.10. Định vị đài trái đất sử dụng FDOA và TDOA từ 2 vệ tinh địa tĩnh........13
Hình 1.11. Định vị đài trái đất dùng 1 trạm tham chiếu...........................................16
Hình 2.1. Phổ tín hiệu số.........................................................................................18
Hình 2.2. Băng thơng chiếm dụng...........................................................................19
Hình 2.3. Băng thơng x-dB......................................................................................19
Hình 2.4. Lưu đồ nhận dạng truyền hình số vệ tinh và truyền số liệu......................23
Hình 2.5. Lưu đồ nhận dạng di động qua vệ tinh địa tĩnh........................................24
Hình 2.6. Phân tích nhận dạng truyền hình số vệ tinh DVB-S băng tần Ku vệ tinh
VINASAT 1.............................................................................................................25
Hình 2.7. Phân tích nhận dạng truyền hình số vệ tinh DVB-S2 băng tần Ku vệ tinh
VINASAT 1.............................................................................................................26
Hình 2.8. Nhận dạng tín hiệu qua đối chiếu dữ liệu trên lyngsat.com.....................27
Hình 2.9. Sử dụng chức năng Waterfall để nhận biết tín hiệu TDMA.....................29
Hình 2.10. Phân tích, nhận dạng tín hiệu qua vệ tinh Inmarsat 4F1.........................30


8

Hình 3.1. Sơ đồ định vị đài trái đất sử dụng 2 vệ tinh địa tĩnh.................................31
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống thiết bị.....................................................................32
Hình 3.3. Sơ đồ định vị đài trái đất sử dụng 3 vệ tinh địa tĩnh.................................33
Hình 3.4. Định vị sử dụng một vệ tinh qua mối tương quan với đài tham chiếu.....34
Hình 3.5. Đối chiếu biến thiên về công suất gây ra bởi chuyển động vệ tinh và hiệu
ứng thời tiết.............................................................................................................35
Hình 3.6. Xác định vị trí đài trái đất dựa trên so sánh mức tín hiệu thu được..........37

Hình 3.7. Tìm kiếm trên mặt đất sử dụng các thuật toán tương quan chéo trong hệ
thống định vị kết hợp vệ tinh - đài mặt đất..............................................................38
Hình 3.8. Giải pháp tìn đài phát với UAV dựa trên đường TDOA và tia định hướng
................................................................................................................................. 39
Hình 3.9. Thủ tục tìm kiếm đài trái đất....................................................................40
Hình 3.10. Hệ thống Ăng ten kiểm sốt vệ tinh tại Đức..........................................40
Hình 3.11. Hệ thống Ăng ten kiểm sốt vệ tinh tại Hàn Quốc.................................41
Hình 3.12. Hệ thống Ăng ten kiểm sốt tại Trung Quốc..........................................42
Hình 3.13. Phân bổ đài trái đất cố định....................................................................43
Hình 3.14. Phân bổ đài trái đất lưu động.................................................................43
Hình 3.15. Lưu đồ giải pháp thực hiện định vị........................................................47
Hình 3.16. Dự đoán chất lượng định vị qua dữ liệu thiên văn vệ tinh cập nhật vào hệ
thống định vị............................................................................................................ 51
Hình 3.17. Kiểm tra phổ chồng lấn trên các vệ tinh lân cận....................................51
Hình 3.18. Tính tốn tham số FDOA/TDOA...........................................................52
Hình 3.19. Sơ đồ xác định đài trái đất.....................................................................53
Hình 3.20. Phân tích và giải điều chế tín hiệu.........................................................54
Hình 3.21. Phát hiện CID........................................................................................54


9

Hình 3.22. Giải nén thơng tin trong CID.................................................................55
Hình 3.23. Sơ đồ hệ thống.......................................................................................55
Hình 3.24. Giải mã thơng tin vị trí tọa độ................................................................56
Hình 3.25. Hiển thị vị trí trên bản đồ.......................................................................56
Hình 3.26. Phổ và kết quả định vị............................................................................57
Hình 3.27. Kiểm sốt tại các điểm cao xác định đài khơng phép.............................57
Hình 3.28. Sơ đồ hệ thống sử dụng UAV................................................................58
Hình 3.29. Anten kiểm sốt gắn trên UAV..............................................................58

Hình 3.30. Định vị xác định vị trí đài trái đất qua UAV..........................................59
Hình 3.31. Mẫu bức xạ anten...................................................................................59
Hình 3.32. Kiểm sốt xác định đài trái đất trên tần số 6414,17MHz.......................62
Hình 3.33. Kiểm sốt xác định đài trái đất trên tần số 6061.65 MHz......................63
Hình 3.34. Kiểm sốt xác định đài trái đất trên tần số 6574.29 MHz......................64


10

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
ACM
AOA
ASI
AVC

Tiếng Anh
Adaptive Coding and Modulation
Angle of Arrival
Adjacent Satellite Interference
Advanced Video Coding

BGAN

Broadband Global Area Network

CDMA
CID

DVBS2

Code Division Multiple Access
Carrier Identify
Continuous Quadrature Phase Shift
Keying
Continuous Wave
Digital circuit multiplication
equipment
Direction Finding
Digital Video Broadcasting –
Satellite
Digital Video Broadcasting –
Satellite second generation

EIRP

Effective Isotropic Radiated Power

ES

LDPC
LNA
MES

Earth Station
European Telecommunications
Standards Institute
Frequency Division Multiple Access
Frequency Difference of Arrival
Frequency-Shift Keying

Gain Ratio of Arrival
Geostationary Satellite Orbit
High-Definition Television
International Telecommunication
Union
Low Density Parity Check
Low Noise Amplifier
Mobile Earth Station

MPEG

Moving Picture Experts Group

PDOA
PFD

Power Difference of Arrival
Power Flux Density

CQSK
CW
DCME
DF
DVB-S

ETSI
FDMA
FDOA
FSK
GROA

GSO
HDTV
ITU

Tiếng Việt
Mã hóa thích ứng và điều chế
Góc tới
Nhiễu vệ tinh liền kề
Mã hóa video nâng cao
Mạng khu vực tồn cầu băng thơng
rộng
Đa truy cập phân chia theo mã
Nhận dạng sóng mang
Điều chế pha trực giao liên tục
Sóng liên tục
Thiết bị nhân mạch kỹ thuật số
Xác định hướng
Truyền hình kỹ thuật số - Vệ tinh
Truyền hình kỹ thuật số - Vệ tinh
thế hệ thứ 2
Công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương
Đài trái đất
Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu
Âu
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Sai khác tần số tới
Khoá dịch tần số
Hệ số khuếch đại tới
Quỹ đạo địa tĩnh

Truyền hình độ phân giải cao
Liên minh viễn thơng quốc tế
Sửa lỗi chẵn lẻ mật độ thấp
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Đài trái đất lưu động
Nhóm các chun gia hình ảnh
động
Sai khác công suất tới
Mật độ thông lượng công suất


11

POA
PSK
QAM
QPSK

SCPC

Power of Arrival
Phase-Shift Keying
Quadrature Amplitude Modulation
Quadature Phase Shift Keying
Received Signal Strength Amplitude
Ratio
Single Channel Per Carrier

SDMA

Space Division Multiple Access

TDMA

Time Division Multiple Access

TDOA
TLE
UAV
VSAT

Time Difference of Arrival
Two-Line Element
Nnmanned Aerial Vehicle
Very-small-aperture terminal

RSS

Cơng suất tới
Khố dịch pha
Điều chế biên độ cầu phương
Điều chế pha trực giao
Tỷ lệ mức độ tín hiệu nhận được
Kênh đơn trên sóng mang đơn
Đa truy cập phân chia theo khơng
gian
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
Sai khác thời gian tới
Tập hợp hai dịng dữ liệu

Thiết bị bay khơng người lái
Trạm mặt đất khẩu độ rất nhỏ


1

LỜI NĨI ĐẦU
Thơng tin liên lạc qua vệ tinh tại Việt Nam hiện nay phổ biến và phát triển
nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ như truyền hình số qua vệ tinh, truyền dẫn
VSAT, di động và định vị qua vệ tinh không chỉ qua 02 vệ tinh Vinasat 1, 2 của Việt
Nam mà còn qua các vệ tinh của nước ngồi có vùng phủ Việt Nam. Cùng với đó là
gia tăng số lượng lớn các đài trái đất thơng tin qua vệ tinh địi hỏi tăng cường cơng
tác quản lý, xử lý các tình huống can nhiễu mặc dù trong Thể lệ vô tuyến của Liên
minh viễn thông quốc tế có quy định mức phát xạ tối đa từ các vệ tinh và giữa các
nhà khai thác vệ tinh có vị trí quỹ đạo lân cận nhau có các giao ước, thỏa thuận phối
hợp hoạt động vệ tinh, nhưng nhiều tình huống can nhiễu vẫn có thể xẩy ra.
Việc xác định, nhận dạng các can nhiễu và các đài phát hoạt động không
đúng các quy định của cơ quan quản lý trong nước sẽ giúp tạo ra một mơi trường
thơng tin qua vệ tinh an tồn, tin cậy và hiệu quả.
Các đài trái đất thông tin qua vệ tinh địa tĩnh với các cấu hình mạng, sử dụng
phương pháp điều chế, băng thông và các kỹ thuật đa truy nhập khác nhau nên các
loại sóng mang rất đa dạng và hồn tồn là tín hiệu số mà hiện nay việc giải mã
thông tin để nhận diện phát xạ thu được từ vệ tinh của đài trái đất nào đang hoạt
động là rất khó khăn địi hỏi phải có hệ thống phân tích chuyên sâu (gồm cả phần
cứng và phần mềm). Đối với xử lý tín hiệu can nhiễu, việc sử dụng hệ thống định vị
xác định đài phát gây nhiễu sẽ giúp việc loại bỏ can nhiễu nhanh và hiệu quả hơn
thay vì phải phối hợp với các đơn vị sử dụng, các nhà khai thác vệ tinh (gồm cả
trong và ngồi nước) rà sốt một khối lượng lớn các thiết bị phát, đặc biệt đối với
các tín hiệu khơng có điều chế.
Luận văn bao gồm 03 Chương cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về các kỹ thuật định hướng và định vị đài phát vô
tuyến điện.


2

Chương 2: Nghiên cứu các bài thu đo, phân tích, nhận dạng tín hiệu đài trái
đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh.
Chương 3: Giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh
địa tĩnh tại Việt Nam.


3

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỊNH VỊ ĐÀI PHÁT VÔ

TUYẾN ĐIỆN

Chương này giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật định hướng và định vị đài
phát vô tuyến điện phổ biến hiện nay trên thế giới và cũng như ở Việt Nam.
Định hướng phát xạ vơ tuyến điện: là việc xác định hướng tới (góc phương
vị) của phát xạ so với hướng tham chiếu. Mục đích của việc định hướng phát xạ vơ
tuyến điện: Thu thập thơng tin giúp tìm ra các nguồn phát xạ đang quan tâm (nguồn
phát xạ gây nhiễu, nguồn phát xạ trái phép, nguồn phát xạ đang cần kiểm chứng
…). Các kỹ thuật định hướng phát xạ vô tuyến điện gồm AOA, giao thoa pha, giao
thoa pha tương quan, Doppler và Pesudo Doppler [4], [12].
Định vị phát xạ vô tuyến điện: là việc xác định vị trí của một nguồn phát xạ
vô tuyến điện. Các kỹ thuật định vị phát xạ vô tuyến điện gồm kỹ thuật định vị sử

dụng phương pháp giao nhau của hai hoặc nhiều tia định hướng hay góc tới AOA
của phát xạ; phương pháp định vị trạm đơn SSL; các kỹ thuật định vị tiên tiến như
TDOA, FDOA, POA, FDOA/TDOA kết hợp [12], [4], [13].
1.1. Kỹ thuật định hướng AOA
Định hướng góc tới (AOA) là một phương pháp truyền thống và phổ biến để
định đài phát bằng cách xác định hướng lan truyền của sóng tới trên các chấn tử ăng
ten định hướng trong các tình huống khác nhau. Có nhiều kỹ thuật để tìm góc tới,
chẳng hạn như giao thoa pha, giao thoa pha tương quan. Để xác định vị đài phát,
cần kết hợp các kết quả từ hai hoặc nhiều trạm định hướng khác nhau.
- Một phương pháp đơn giản để xác định góc tới của phát xạ (AOA) là sử
dụng ăng ten quay. Phương hướng khác nhau. Một hệ thống tự động sẽ gồm một bộ
điều khiển ăng ten quay và máy thu sẽ giúp ta thu được đồ thị về mức theo góc
phương vị của ăng ten.
- Để cải thiện kết quả định hướng, người ta có thể sử dụng hai ăng ten giống
nhau lắp trên cùng một trục quay, sau đó dùng tổng hoặc giá trị tuyệt đối của hiệu
hai mức tín hiệu thu được từ hai ăng ten. Phương pháp dùng tổng có độ nhạy cao


4

hơn, cịn phương pháp dùng hiệu có độ chính xác về định hướng tốt hơn. Trên hình
1.1 thể hiện phương pháp định hướng sử dụng ăng ten quay. Trong đó hình (a) là
trường hợp sử dụng tổng mức thu, hình (b) là trường hợp sử dụng giá trị tuyệt đối
của hiệu hai mức thu, hình (c) là thể hiện giản đồ ăng ten trên bản đồ thực tế.
- Ưu điểm là có thể giúp định hướng khi có nhiều đài phát đồng kênh và định
hướng được cả tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang.
-Nhược điểm là không định hướng được các tín hiệu có thời gian tồn tại
ngắn. các tín hiệu có mức biên thiên; Khơng phù hợp với dải tần thấp dưới 80MHz
do kích thước vật lý của ăng ten sẽ lớn.

a)

b)

c)

Hình 1.1. Định hướng sử dụng ăng ten quay

S p e c tr u m - 4 .7 - 0 4

1.2. Kỹ thuật định hướng giao thoa pha
Phương pháp giao thoa pha như một phương tiện để đo góc phương vị LoB
tức thời, rất chính xác. Hệ thống này sử dụng phép đo pha giữa ít nhất hai ăng-ten
độc lập. Yếu tố quan trọng của hệ thống loại này là bộ tách pha, trả về ước tính độ
trễ pha giữa hai tín hiệu nhận được. Sử dụng độ trễ này, góc tới tín hiệu có thể được
ước tính. Có thể sử dụng kết hợp 3, 4, 5 ăng-ten hoặc nhiều hơn để được góc nhìn
360 ° mà khơng cần xoay ăng-ten. Cấu hình tam giác hữu ích với dải tần định
hướng dưới 30 MHz, ở dải tần số cao hơn, các mảng hình trịn được ưu tiên hơn. Hệ
thống nhận đa kênh và chuyển mạch ăng-ten đã được sử dụng thành công như một
phương tiện đo đầu vào từ một số ăng-ten.
Hình 1.2 cho thấy sự lệch pha khi một mặt sóng tới đến với góc θ trên hai ăng ten,
cách nhau một khoảng “d” và Bảng 1.1. Đặc điểm kỹ thuật giao thoa pha [4]


5

Hình 1.2. Nguyên lý giao thoa pha
Bảng 1.1. Đặc điểm kỹ thuật giao thoa pha
Phép đo bộ anten Các phép đo sai khác pha giữa một tập hợp con của các cặp ăng-ten
định hướng

có thể có trong bộ ăng-ten
Chuyển đổi kết Góc định hướng được tính tốn bằng cách kết hợp thông tin về bộ
quả đo sang giá trị ăng-ten với các phép đo sai pha thu được đối với các cặp ăng-ten
góc định hướng

trong bộ. Các phép đo pha cho một cặp cụ thể có thể được sử dụng

để tính tốn góc tới
Độ chính xác
≤ 10 r.m.s
Độ nhậy
Cao
Độ dài tối thiểu 10ms; 1ms (hệ thống sử dụng bộ chuyển mạch anten cho một cặp
của tín hiệu

kênh đo lường tương quan. Thời gian xuất hiện tín hiệu nhỏ nhất có
thể ngắn hơn nếu một bộ thu được sử dụng cho mỗi phần tử anten

và tất cả các phép đo được thực hiện song song
Khả năng chống Chức năng tuyến tính phân cực của phần tử anten chỉ khi không thể
lại khử cực

sử dụng các thuật toán bù phân cực; sai số khử cực điển hình thấp
đối với độ nghiêng phân cực lên đến 60 ° và trở nên lớn đối với độ

nghiêng phân cực lớn hơn
Khả năng chống Cao khi sử dụng bộ anten có độ mở rộng
lại mặt sóng méo
Khả năng chống Có thể phân tách bằng kỹ thuật biểu đồ đối với các tín hiệu trùng
lại

kênh

nhiễu

đồng hợp khơng theo thời gian; đối với tín hiệu trùng thời gian, chỉ tín
hiệu mạnh hơn từ 3 đến 5 dB mới có thể được đánh giá

1.3. Kỹ thuật định hướng giao thoa tương quan
Giao thoa tương quan sử dụng thông tin về biên độ và pha của tín hiệu.


6

Xây dựng bảng tham chiếu sai pha, biên độ: Dùng nguồn tín hiệu chuẩn phát
vào ăng ten định hướng từ tất cả các hướng (step tương ứng với độ phân giải định
hướng, thường là 0,1 độ).Tại mỗi lần phát, sự sai khác về pha, biên độ giữa từng
chấn tử khi so với chấn tử tham chiếu sẽ được ghi lại thành một vector hay một
mảng hay một cột trong bảng tham chiếu ứng với góc đang phát tín hiệu chuẩn.
Khi thu một tín hiệu thực tế:
- Ghi lại sự sai khác về pha, biên độ của tín hiệu thu được giữa các chấn tử
khi so với chấn tử tham chiếu, ta sẽ thu được một mảng sai pha, biên độ.
-Tính hệ số tương quan giữa mảng sai pha, biên độ này với từng mảng sai
pha, biên độ trong bảng tham chiếu. Mảng sai pha, biên độ tham chiếu nào có hệ số
tương quan lớn nhất khi so với mảng sai pha, biên độ của tín hiệu thực tế thu được
thì góc ứng với mảng sai pha, biên độ tham chiếu đó chính là góc tới của tín hiệu và
hệ số tương quan chính là chất lượng định hướng hay cịn gọi là độ tin cậy định
hướng.

Hình 1.3. Định hướng giao thoa tương quan

Ưu điểm: Độ chính xác định hướng rất cao (nhỏ hơn 1 độ với mơi trường
thống, khơng có vật cản che chắn), phù hợp với dải V/UHF, khi sử dụng chấn tử có
góc mở rộng thì có thể hạn chế được ảnh hưởng của hiện tượng mặt sóng méo.


7

Nhược điểm: Khơng thể dùng để định hướng khi có nhiều đài phát cùng tần
số, không phù hợp cho dải tần HF vì địi hỏi kích thước chấn tử lớn dẫn đến kích
thước ăng ten lơn, nếu bộ định hướng ít kênh thì thời gian xử lý định hướng có thể
bị chậm.
1.4. Kỹ thuật định hướng Doppler và Pesudo Doppler
Phương pháp định hướng Doppler gồm phương pháp Doppler trực tiếp và
phương pháp giả Doppler (pseudo-Doppler): Cả hai phương pháp ứng dụng hiệu
ứng dịch tần Doppler, khi nguồn phát và ăng ten thu dịch chuyển gần lại nhau thì
tần số tăng lên, dịch chuyển xa nhau ra thì tần số giảm đi.
Phương pháp Doppler trực tiếp thực hiện quay ăng ten thu và đo độ dịch tần
Doppler để xác định hướng tới của tín hiệu. Do tốc độ quay ăng ten bị hạn chế nên
phương pháp này không khả thi với các dải tần từ VHF trở xuống (Tần số càng thấp
thì phải quay ăng ten càng nhanh).

Hình 1.4. Phương pháp định hướng Doppler trực tiếp

Phương pháp giả Doppler sử dụng một mảng ăng ten lắp cố định thành hình
trịn và thực hiện chuyển mạch để thu tín hiệu từ các ăng ten lần lượt theo chiều của
vòng tròn.
Ưu điểm của phương pháp này là có độ nhạy cao.
Nhược điểm: Độ chính xác định hướng thấp. Để có kết quả định hướng chấp

nhận được thì khoảng cách giữa hai chấn tử liền kề cần nhỏ hơn nửa lần bước sóng

của tín hiệu tới, trong thực tế thường chọn khoảng cách là 1/3 bước sóng.


8

Hình 1.5. Phương pháp định hướng giả Doppler

Cũng chính vì yêu cầu này mà phương pháp này không phù hợp với tín hiệu dải tần
cao (thường chỉ dùng với dải tần dưới 1GHz). Do các chấn tử thường có phân cực
đứng nên phương pháp này chỉ dùng để định hướng tín hiệu phân cực đứng.
1.5. Kỹ thuật định vị POA
Kỹ thuật POA sử dụng tỉ lệ công suất thu được của tín hiệu tại nhiều điểm
thu để tính tốn, ước lượng vị trí nguồn phát của tín hiệu.
Trong khơng gian tự do thì cơng suất tín hiệu thu được tại máy thu suy giảm
với bình phương khoảng cách từ nguồn phát tới máy thu (1/r 2). Đối với môi trường
trong nhà thực tế thì giá trị đó nằm giữa (1/r 3) và (1/r4). Tỷ lệ cơng suất tín hiệu đo
được ở hai máy thu khác nhau sẽ tạo ra được một đường trịn của vị trí. Các vịng
trịn vị trí từ nhiều cặp máy thu (trong hoàn cảnh lý tưởng) sẽ giao nhau tại một
điểm duy nhất. Điều này thể hiện trên hình 1.18. Các kỹ thuật POA hay kỹ thuật
tương tự là RSS hoặc GROA rất phù hợp với mơi trường trong nhà (đa đường cao,
triển khai gần). Nó cũng phù hợp với các tín hiệu khơng điều chế hoặc tín hiệu băng
thơng hẹp. Do đó POA, RSS, GROA là sự bổ sung cần thiết cho kỹ thuật TDOA.
Thực tế hiện nay các hệ thống kiểm soát, định vị TDOA của các hãng thường kết
hợp cả 2 kỹ thuật TDOA và POA trong hệ thống để bổ trợ, cải thiện hiệu quả của hệ
thống.


9

Hình 1.6. Nguyên lý kỹ thuật định vị POA

POA là một phương pháp định vị có tính hiệu quả kinh tế cao vì nó khơng
u cầu cao về phần cứng máy thu kiểm sốt. Cơng suất của một tín hiệu vơ tuyến
có thể ước lượng được theo các mơ hình truyền sóng với cơng suất phát, đường
truyền đã biết, đặc biệt được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn vơ tuyến đã
được chuẩn hóa.
Khi khơng xác định được cơng suất nguồn phát thì có thể xác định được vị trí
của nguồn phát tín hiệu bằng cách tính tốn độ chênh lệch công suất đến PDOA tại
các cặp máy thu tương ứng với độ chênh lệch suy hao đường truyền từ nguồn phát
tới các máy thu khác nhau. Trong một số trường hợp thì dễ dàng có thể xác định vị
trí của nguồn phát tín hiệu khi mơ hình truyền sóng đơn giản, ví dụ như định vị một
nguồn phát truyền hình FM khi giữa nó với trạm định hướng có tầm nhìn thẳng.
1.6. Kỹ thuật định vị TDOA
Kỹ thuật TDOA xác định vị trí nguồn phát xạ bằng cách sử dụng sự tương
quan thời gian đến của một tín hiệu tới các máy thu khác nhau. Các hệ thống TDOA
cho phép sự linh hoạt trong việc lựa chọn và lắp đặt ăng ten. Tính linh hoạt này cho
phép các yếu tố khác được xem xét như là: kích thước ăng ten, độ phức tạp của
trạm, diện tích vùng phủ sóng... Với khả năng sử dụng, lắp đặt ăng ten đơn giản như
vậy nên cho phép các hệ thống định vị TDOA được triển khai dễ dàng. Nhiều tuyên
bố cho thấy rằng độ chính xác của kỹ thuật định vị TDOA đối với các tín hiệu băng
thơng hẹp là thấp hơn so với các tín hiệu băng thơng rộng. Bởi vì các tín hiệu băng


10

thơng rộng thường có các đặc tính tức thời trong thời gian ngắn hơn, điều đó có thể
cải thiện độ chính xác của TDOA đặc biệt là trong điều kiện mơi trường đa đường
cao. Tuy nhiên độ chính xác định vị cũng bị ảnh hưởng bởi tỉ số tín/tạp thu được.
Trong khi đó các tín hiệu bằng hẹp ở dải tần thấp thường có tỉ số tín/tạp thu được tốt
hơn. Giải pháp TDOA phù hợp với hầu hết các tín hiệu được điều chế nhưng không

thể sử dụng để định vị các tín hiệu khơng điều chế, các tín hiệu liên tục (do nó
khơng thể xác định được độ chênh lệch thời gian đến của một tín hiệu tới các máy
thu khác nhau). TDOA dựa trên khái niệm đơn giản rằng bất kỳ sự khác biệt nào về
khoảng cách giữa nguồn phát tín hiệu với hai máy thu bất kỳ trong hệ thống định vị
đều có thể được quan sát trực tiếp bằng sự chênh lệch về thời gian đến các máy thu
này của tín hiệu. Từ chênh lệch về thời gian đến các máy thu của tín hiệu thì chênh
lệch khoảng cách có thể dễ dàng tính được bằng tích của chênh lệch thời gian nhân
với vận tốc tín hiệu. TDOA thay đổi khoảng 3.3 ns đối với mỗi mét chênh lệch
khoảng cách giữa 2 đường tín hiệu trực tiếp. Chênh lệch khoảng cách ΔD = D1-D2
được mô tả bằng một đường hyperbolic. Trên hình 1.8 các đường hyperbol vẽ tương
ứng với 5 giá trị chênh lệch khoảng cách ΔD và một nguồn phát S được đặt trên một
đường hyperbol. Vì đường hyperbol thể hiện chênh lệch khoảng cách khơng đổi nên
nguồn tín hiệu S có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào dọc theo đường hyperbol đó mà
khơng ảnh hưởng đến chênh lệch thời gian đến của máy thu R1 và R2. Ý nghĩa của
đặc tính này là hệ thống định vị TDOA sẽ luôn yêu cầu cần phải có trên 2 máy thu
trở lên để có thể định vị được nguồn phát của tín hiệu:
S
D 1

R 1

D 2

R 2

S p e c tr u m - 4 .7 - 1 3

Hình 1.7. Chênh lệch thời gian dựa trên chênh lệch khoảng cách ΔD

Bỏ qua một số trường hợp hình học đặc biệt thì hệ thống TDOA yêu cầu tối thiểu 03

máy thu trở lên để có thể định vị nguồn phát xạ trong khơng gian hai chiều. Như
minh họa trên hình 1.9, với 03 máy thu thì chúng ta sẽ có ba cặp máy thu có thể tạo


11

ra ba chênh lệch thời gian khác nhau, tương ứng với ba đường hyperbol khác nhau,
giao nhau tại một điểm chung trong điều kiện lý tưởng. Khi đó điểm giao của các 3
đường hyperbol chính là nguồn phát tín hiệu. Như vậy về lý thuyết thì chúng ta có
thể chỉ cần sử dụng 2 cặp máy thu cho việc định vị nguồn phát tín hiệu. Tuy nhiên,
mơi trường thực tế sẽ là khơng lý tưởng và khi đó chất lượng của dữ liệu chênh lệch
thời gian sẽ thay đổi theo các cặp máy thu. Ví dụ như trên hình 1.9 chúng ta thấy
rằng nguồn phát tín hiệu nằm gần máy thu R3 nhất về mặt vật lý. Do đó nếu giả sử
cường độ trường thu được tại máy thu R3 là cao hơn hai máy thu R1, R2 thì các cặp
máy thu R1-R3, R2-R3 có thể tạo ra các ước lượng chênh lệch thời gian tốt hơn so
với cặp R1-R2. Các thuật toán định vị nâng cao thường cần tới 3 máy thu để cải
thiện độ chính xác cho việc định vị nguồn tín hiệu phát.
R 3

S

R 1

R 2

Hình 1.8. Nguồn tín hiệu nằm trong vùng giao điểm của 2 hoặc nhiều đường
S p e c tr u m - 4 .7 - 1 4

Hyperbol

1.7. Kỹ thuật định vị FDOA
Kỹ thuật định vị chênh lệch tần số đến (FDOA) là một phương pháp hiệu quả
để định vị máy phát đang chuyển động hoặc xác định vị trí máy phát bằng trạm
giám sát di động, đặc biệt là trạm trên không. Phương pháp FDOA, còn được gọi là
Doppler vi sai (DD), đo sự khác biệt về tần số của tín hiệu nhận được giữa hai hoặc
nhiều máy thu, giống như phương pháp TDOA thực hiện với thời gian. Do đó, các
phương pháp FDOA yêu cầu chuyển động của nguồn tín hiệu hoặc các bộ thu. Sự
thay đổi tần số được sử dụng để ước tính khoảng cách bằng cách sử dụng mối quan
hệ giữa tốc độ của tín hiệu, c và độ dài của dạng sóng. Ước lượng FDOA có thể
được trực quan hóa bằng cách vẽ các đường cong bước sóng xung quanh các máy
thu và tìm các điểm giao nhau, như trong Hình 1.9.